时间：2022-04-16 12:21:39
摘 要：多晶硅太阳能组件EL测试过程中，出现黑斑片/黑边片，实验表明硅锭中间区域硅块（非坩埚接触面即C区硅块）制作组件无黑边现象。我们知道位错密度一般是顶部>中间>底部。边缘发暗主要原因晶体硅材料杂质含量较多或者受坩埚异质成核影响晶体质量。多晶硅常见杂质有O，C，Fe等，其中Fe属于深能级强复合中心，影响载流子的寿命。本文基于多晶生产过程常用参数，使用扩散模型进行讨论。
关键词：多晶硅；硅铁含量；试探观点
一、多晶硅锭中铁元素来源包括两部分硅料及坩埚
（一）一般使用太阳能级硅料，铁含量铁的浓度低于1.0×1014。
说明硅原子个数为5.2×1022cm-3个，ppb=10-9；ppba是用杂质原子数与主体原子数的比来表示纯度的。
（二）坩埚中二氧化硅的纯度一般为质量99.6-99.9%，铁氧化物含量小于0.001%见下表：即铁原子数量在1.0×1016cm-3个，高纯度坩埚的优势在于金属含量相对较低。
多晶生长：对于定向凝固法生产的多晶硅锭，整个长晶高度350mm，长晶时间过程持续约32-36小时，长晶时间10-15mm/h，1200温度℃，硅锭底部有较长时间处于高温状态，铁元素容易发生固相扩散。
二、扩散条件
在大量实验数据基础上，铁在硅中的扩散系数经验公式为：
D（Fei）=1.0*10-3exp（-0.67eV/KT） cm2s-1适用温度范围0-1265℃；
固相扩散的程度与凝固后硅锭的冷却速率以及各温度下的铁的扩散系数有关大约为5-7×10-6 cm2s-1，属于慢扩散元素；本文中使用建议值7×10-6 cm2s-1。
在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中；由于坩埚中的铁浓度远高于硅料中的铁浓度。采用恒定表面扩散模型。其扩散为N（x，t）=Nserfc（x/（4*D*t）0.5）。
铁的浓度超过E13后，铁硼复合体对硅基电池的效率影响较大。本文采用扩散模型，认为铁杂质浓度低于E12基本对性能无影响，低于此值进行下限截止。计算包络线。
考虑到现有的坩埚尺寸例如G5在880-890mm，硅块开方后边皮厚度在30mm左右。也就是铁在固体硅中的扩散影响宽度在30mm左右。这与检测结果大体相符。
选取角部硅块的使用WT-2000按照1mm2精度检测少子寿命。选择坐标（X=-12，Y=（-66，-78）逐点读取检测值，相应位置铁的浓度（铁初始浓度按照2.0×1016计算。）
未考虑涂层厚度和坩埚高纯层对铁扩散的影响，未考虑熔化过程及长晶过程中，铁由坩埚不断扩散至硅液及其分凝系数的影响。
三、计算硅块中铁浓度值较实际测试值偏低
由于影响少子寿命的因素较多，未考虑铁硼对对少子寿命的影响本文定性说明铁浓度包络线与少子寿命较低的趋势。
天合同行在《多晶硅铸锭对太阳能电池EL测试边缘阴影响的研究》提供的金属含量测试精度较低（金属元素含量方面，对硅片少子寿命影响较大的过渡金属元素Fe等杂质检出量均非常小，非红区部分的检出量都小于1ppm，红区部分除Cu外，其它也小于1ppm，Cu的检出量也仅为1.6ppm），因此不能忽略铁的影响。
建议抽取硅锭边料，进行纵向切片。依距坩埚壁的距离及位置高度进行金属含量及位错密度的测试，进一步确认导致组件黑边的深入机理。
参考文献：
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[2]AA Istratov，H Hieslmair.ER Weber Iron contamination in silicon technology 《Applied Physics A》[J].2000，70（5）：489-534.